DE69007040T2 - Method for displaying the position of a spaceship for astro navigation aid. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anzeige der Lage eines Luftfahrzeugs für die Navigationshilfe im Raum. Es wird vor allem angewandt zur ergonomischen Anzeige der Lage eines Luftfahrzeugs im Raum, sowie zur Anzeige seiner Bewegungs-Winkelgeschwindigkeitswerte.The present invention relates to a method for displaying the position of an aircraft for navigational assistance in space. It is used primarily for ergonomically displaying the position of an aircraft in space, as well as for displaying its movement angular velocity values.
Sie wird auch angewandt zur simultanen Anzeige eines anderen Objekts wie eines Raumsatelliten, der sich im Umgebungsraum bewegt.It is also used to simultaneously display another object, such as a space satellite, moving in the surrounding space.
Gegenwärtig kann man die Lage eines Luftfahrzeugs und, genauer, eines Raumfahrzeugs wie eines "Shuttle" nicht auf genaue und ergonomische Weise anzeigen. Man kennt nur Verfahren für Flugzeuge, die darin bestehen, elektromechanische Vorrichtungen, genannt "Flugzeugkugeln" ("boules d'avion") oder Vorrichtungen mit Anzeigebildschirm zu verwenden, die einem Piloten ermöglichen, die Lage des Flugzeugs zu kennen, in einem beschränkten Raumbereich von nur einigen Grad bezüglich des Horizonts.At present, it is not possible to display the attitude of an aircraft, and more precisely of a spacecraft such as a "shuttle", in an accurate and ergonomic way. The only known methods for aircraft are to use electromechanical devices called "aircraft balls" or devices with a display screen that allow a pilot to know the attitude of the aircraft in a limited space of only a few degrees with respect to the horizon.
Generell wird die Lage eines Flugzeugs durch die Werte von drei kardanischen Winkeln (Rollen (φ), Nicken (θ) und Gieren (ψ)), definiert in einem Bezugssystem; diese Lage, dargestellt in einem mit dem Flugzeug verbundenen Bezugsystem, verliert jede Genauigkeit, wenn der Nickwinkel annähernd ±90 ist. Wenn z.B. ein Jagdflugzeug im Steilflug hochsteigt sind die durch die "Flugzeugkugel" gelieferten Angaben inkohärent aufgrund der Schwingungen der Kugel. Diese Angaben sind ebenfalls inkohärent in der Nähe der "Pole" (in Polnähe ist θ annähernd ± 90º).In general, the attitude of an aircraft is defined by the values of three gimbal angles (roll (φ), pitch (θ) and yaw (ψ)) in a reference frame; this attitude, represented in a reference frame connected to the aircraft, loses all accuracy when the pitch angle is close to ±90. For example, when a fighter aircraft is climbing steeply, the information provided by the "aircraft ball" is incoherent due to the oscillations of the ball. This information is also incoherent near the "poles" (near the poles, θ is close to ±90º).
Die Verfahren, die Vorrichtung mit Bildschirmen verwenden, gekoppelt mit elektronischen Lagemeßsystemen, leisten im allgemeinen nicht mehr als die, die "Flugzeugkugel" verwenden; sie liefern nur ungenaue Lageangaben des Flugzeugs, sobald der Nickwinkel 80º überschreitet, wenn das Flugzeug in Polnähe fliegt.The methods using screen devices coupled with electronic attitude measurement systems generally do not perform any better than those using "aircraft ball"; they only provide inaccurate information on the aircraft's attitude once the pitch angle exceeds 80º when the aircraft is flying near the poles.
Diese Nachteile der vorhandenen, in Flugzeugen verwendeten Verfahren werden zu Hauptnachteilen für die Navigationshilfe bei einem Luftfahrzeug im Raum.These disadvantages of the existing methods used in aircraft become major disadvantages for the navigation aid of an aircraft in space.
Die Erfindung hat genau die Zielsetzung, diese Nachteile zu beseitigen durch ein Verfahren zur Anzeige der Bewegung eines Luftfahrzeugs (vor allem eines Raumshuttle), das nicht nur ergonomische Angaben zur Lage des Luftfahrzeugs sowie weitere nützliche Angaben bezüglich seiner Navigation liefert, sondern ebenso vor allem in Polnähe ermöglicht, genaue Lageangaben zu erhalten.The invention has precisely the objective of eliminating these disadvantages by means of a method for displaying the movement of an aircraft (in particular a space shuttle) which not only provides ergonomic information on the attitude of the aircraft and other useful information relating to its navigation, but also makes it possible to obtain precise position information, particularly near the poles.
Diese Ziele werden vor allem aufgrund einer Standortbestimmung des Luftfahrzeugs in einem Gradnetz des Himmelsgewölbes erreicht, das partiell auf eine Ebene projiziert wird, die senkrecht ist zur Achse des Luftfahrzeugs und sichtbar gemacht wird auf einem Bildschirm von an Bord befindlichen Anzeigeeinrichtungen.These objectives are achieved in particular by determining the position of the aircraft in a grid of the sky, partially projected onto a plane perpendicular to the axis of the aircraft and displayed on a screen provided by on-board display devices.
Die Erfindung betrifft ein Anzeigeverfahren eines Luftfahrzeugs zur Navigationshilfe im Raum, dadurch gekennzeichnet, daß es darin besteht:The invention relates to a display method of an aircraft for aiding navigation in space, characterized in that it consists in:
- ein spärisches Himmelgewölbe zu definieren, zentriert im Schwerpunkt des Luftfahrzeugs, mit einer in nördliche Himmelsrichtung weisenden Polachse und einer Äquatorialebene, senkrecht zu dieser Polachse und einen Bezugs-Frühlingspunkt durchlaufend;- to define a spherical sky, centred on the centre of gravity of the aircraft, with a polar axis pointing northwards and an equatorial plane perpendicular to this polar axis and passing through a reference vernal equinox;
- Bezugslängen und -breiten auf diesem Himmelgewölbe zu definieren;- to define reference lengths and widths on this celestial vault;
- ein Bezugssystem mit rechtwinkligen Achsen zu definieren, zentriert im Schwerpunkt des Luftfahrzeugs, wobei eine erste Bezugsachse dieses Systems den Frühlingspunkt durchläuft, eine zweite Achse zusammenfällt mit der Polarachse und eine dritte Achse senkrecht ist zur ersten und zur zweiten Achse;- define a reference system with rectangular axes, centred on the centre of gravity of the aircraft, a first reference axis of this system passing through the vernal equinox, a second axis coinciding with the polar axis and a third axis perpendicular to the first and second axes;
- ein für das Luftfahrzeug spezifisches Bezugssystem mit drei rechtwinkligen Achsen zu definieren, die den Schwerpunkt des Luftfahrzeugs zum Nullpunkt haben, wobei eine erste Achse einer Längsachse des Luftfahrzeugs entsprechend ausgerichtet ist, eine zweite Achse sich in einer Symetrieebene befindet, die durch die Längsachse des Luftfahrzeugs verläuft, und eine dritte Achse senkrecht ist zur ersten und zur zweiten Achse;- define a reference system specific to the aircraft with three orthogonal axes having the centre of gravity of the aircraft at the origin, a first axis aligned with a longitudinal axis of the aircraft, a second axis located in a plane of symmetry passing through the longitudinal axis of the aircraft and a third axis perpendicular to the first and second axes;
- die Lage des Luftfahrzeugs bezüglich des Bezugssystems zu definieren durch Berechnung der kardanischen Winkel, genannt Roll-, Nick- und Gierwinkel;- to define the attitude of the aircraft with respect to the reference system by calculating the gimbal angles, called roll, pitch and yaw angles;
- die kardanischen Winkel zu verwenden, um auf einem Bildschirm der Anzeigemittel das erhaltene Bild sichtbar zu machen in einer zu der ersten spezifischen Achse senkrechten Ebene eines Gradnetzes, gebildet aus Abschnitten der Längen und Breiten des Himmelsgewölbes, projiziert auf diese Ebene im Innern eines Navigationskreises, sichtbar gemacht auf dem Bildschirm und zentriert auf der ersten Achse des spezifischen Bezugssystems;- to use the gimbal angles to display on a screen of the display means the image obtained in a plane perpendicular to the first specific axis of a grid formed by segments of the longitudes and latitudes of the celestial vault, projected onto this plane inside a navigation circle, displayed on the screen and centred on the first axis of the specific reference system;
- ein Fadenkreuz sichtbar zu machen mit zwei zueinander senkrechten Segmenten, die den Navigationskreis durchschneiden und sich schneiden im Zentrum des Navigationskreises und der zweiten beziehungsweise der dritten Achse des Bezugssystems entsprechen, wobei das Zentrum des Kreises jeweils die auf Länge und Breite bezogenen Gier- und Nickwinkel darstellt, jeweils bezüglich eines Längenkreisabschnitts und eines Breitenkreisabschnitts des Himmelsgewölbes;- to make visible a crosshair with two mutually perpendicular segments which cut through the navigation circle and intersect at the centre of the navigation circle and correspond to the second and third axes of the reference system, respectively, the centre of the circle representing the yaw and pitch angles related to longitude and latitude, respectively with respect to a segment of the circle of longitude and a segment of the circle of latitude of the celestial vault;
- den Wert des Rollwinkels in einer Skala mit Zahlenwerten sichtbar zu machen, in der Nähe des Schnittpunkts des Navigationskreises mit dem Segment des Fadenkreuzes, das der zweiten Achse des spezifischen Bezugssystems entspricht.- to make the value of the roll angle visible on a scale of numerical values, near the intersection of the navigation circle with the segment of the crosshairs corresponding to the second axis of the specific reference system.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, in einer vorbestimmten kreisförmigen Zone um jeden Pol des Himmelsgewölbes die Anzeige eines Gradnetzes aus Längenkreis- und Breitenkreisabschnitten zu ersetzen durch ein Gradnetz, das ein Bezugsgitter bildet im Innern eines Kreises, der die genannte Zone begrenzt.According to a further characteristic, the method consists in replacing, in a predetermined circular zone around each pole of the celestial vault, the display of a graticule consisting of segments of longitude and latitude by a graticule forming a reference grid inside a circle delimiting the said zone.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, die kardanischen Winkel in Form von Quaternionen auszudrücken, um das genannte Gradnetz anzuzeigen.According to another characteristic, the procedure consists in expressing the gimbal angles in the form of quaternions in order to display the said graticule.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, in dem Gradnetz den Standort am Himmelgewölbe anzuzeigen durch ein Symbol, in das ein Vektor eingetragen ist, der die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs darstellt, wobei dieses Symbol in dem Gradnetz festgelegt ist in Länge und Breite, um jeweils den Gier- und Nickwinkel des Luftfahrzeugs anzuzeigen.According to another characteristic, the method consists in indicating on the graticule the position in the celestial vault by means of a symbol in which a vector representing the speed of the aircraft is entered, this symbol being fixed on the graticule in longitude and latitude to indicate, respectively, the yaw and pitch angles of the aircraft.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man die Position eines anderen Objekts im Raum an durch ein dieses Objekt kennzeichnendes Symbol, festgelegt in dem Gradnetz durch eine Länge und eine Breite, dieser Position entsprechend.According to a further characteristic, the position of another object in space is indicated by a symbol identifying this object, fixed in the grid by a longitude and a latitude corresponding to this position.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man eine gewählte Lage des Luftfahrzeugs an durch ein Lagesymbol, festgelegt in dem Himmelsgewölbe durch eine Länge und eine Breite.According to a further characteristic, a selected attitude of the aircraft is indicated by an attitude symbol, fixed in the celestial vault by a longitude and a latitude.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man auf besondere Weise einen Längenkreisteil 0-180º aus den in dem Gradnetz angezeigten Längenkreisteilen an.According to another characteristic, a meridian segment 0-180º is displayed in a special way from the meridians displayed in the grid.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man zwei Rollwinkel-Bezugssymbole an, diametral entgegengesetzt auf dem Navigationskreis, und man zeigt auf dem Navigationskreis ein Zwischensymbol des gewählten Rollwinkels an.According to another characteristic, two roll angle reference symbols are displayed, diametrically opposed on the navigation circle, and an intermediate symbol of the selected roll angle is displayed on the navigation circle.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man jeweils Änderungsgeschwindigkeitswerte (p, q, r) der Roll-, Nick- und Gierwinkel in Cursors an, die beweglich sind gegenüber feststehenden Zahlenwertskalen.According to a further characteristic, the rate of change values (p, q, r) of the roll, pitch and yaw angles are displayed in cursors that are movable relative to fixed numerical value scales.
Die Werte (p, q, r) sind die Werte der Längen der Projektionen des augenblicklichen Rotationsgeschwindigkeitsvektors des Luftfahrzeugs jeweils in den drei Achsen X, Y, Z des spezifischen Bezugssystems.The values (p, q, r) are the values of the lengths of the projections of the instantaneous rotational velocity vector of the aircraft in the three axes X, Y, Z of the specific reference system, respectively.
Nach einer weiteren Charakteristik zeigt man die jeweiligen Zahlenwerte der Roll-, Nick- und Gierwinkel (φ,θ,ψ) an.After a further characteristic, the respective numerical values of the roll, pitch and yaw angles (φ, θ, ψ) are displayed.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, die jeweiligen numerischen Sollwerte der Roll-, Nick- und Gierwinkel anzuzeigen.According to a further characteristic, the procedure consists in displaying the respective numerical setpoints of the roll, pitch and yaw angles.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, den verschiedenen angezeigten Angaben spezifische Farbcodes zuzuordnen.According to another characteristic, the procedure consists in assigning specific colour codes to the various information displayed.
Nach einer weiteren Charakteristik besteht das Verfahren darin, die Lage in einem beliebigen Bezugssystem anzuzeigen.According to another characteristic, the method consists in displaying the position in any reference system.
Die Charakteristika und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, gegeben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen:The characteristics and advantages of the invention will be better understood from the following description, given with reference to the accompanying drawings:
- die Figur 1 stellt schematisch ein Luftfahrzeug dar, das sich im Himmelsgewölbe bewegt, und eine Einteilung dieses Himmelsgewölbes zur Festlegung der Position und der Lage dieses Luftfahrzeugs;- Figure 1 shows schematically an aircraft moving in the sky and a division of that sky for determining the position and attitude of that aircraft;
- die Figur 2 ermöglicht ein besseres Verständnis der kardanischen Winkel;- Figure 2 allows a better understanding of the gimbal angles;
- die Figur 3 stellt schematisch die Projektion eines Teils des Himmelgewölbes auf eine Ebene dar, die senkrecht ist zur Achse des Luftfahrzeugs, wie verwendet in dem Anzeigeverfahren der Erfindung;- Figure 3 schematically represents the projection of a part of the sky onto a plane perpendicular to the axis of the aircraft, as used in the display method of the invention;
- die Figur 4 stellt schematisch die verschiedenen Angaben dar, die dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechend auf dem Bildschirm der an Bord des Luftfahrzeugs befindlichen Anzeigeeinrichtungen sichtbar gemacht werden;- Figure 4 shows schematically the various information which, according to the method according to the invention, is made visible on the screen of the display devices on board the aircraft;
- die Figur 5 stellt schematisch ein System dar, das ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.- Figure 5 schematically represents a system that enables the method according to the invention to be applied.
Die Figur 1 stellt schematisch ein sphärisches Himmelgewölbe C dar, zentriert im Schwerpunkt des Luftfahrzeugs A (z.B. ein Raumshuttle). Die Erde ist mit T bezeichnet; das Himmelgewölbe C weist eine Polarachse auf, ausgerichtet nach dem Himmelsnorden N, und eine Äquatorialebene E, senkrecht zur Polarachse und einen Frühlingspunkt durchlaufend. Dieser Frühlingspunkt ist hier der Punkt γ50, der bei der Tagundnachgleiche des Frühlings des Jahres 1950 den Schnittpunkt des Erdäquators mit der Ekliptik beim Übergang der Sonne von der Südhemisphäre zur Nordhemisphäre darstellte.Figure 1 schematically represents a spherical celestial vault C, centered on the center of gravity of the aircraft A (e.g. a space shuttle). The earth is designated T; the celestial vault C has a polar axis aligned with the celestial north N and an equatorial plane E, perpendicular to the polar axis and passing through a vernal equinox. This vernal equinox is here the point γ50, which at the spring equinox of 1950 represented the intersection point of the earth's equator with the ecliptic when the sun passed from the southern hemisphere to the northern hemisphere.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren definiert man Bezugslängenkreise und -breitenkreise M und P der Lage des Luftfahrzeugs auf diesem Himmelsgewölbe. Die Längenkreise M werden definiert durch die Durchschneidungen des sphärischen Gewölbes mit den Ebenen, die die Polarachse dieses Gewölbes durchlaufen. Die Breitenkreise P werden definiert durch die Durchschneidungen des sphärischen Gewölbes mit zur Äquatorialebene E parallelen Ebenen. Die Längenkreise M werden festgelegt durch eine positiv in Richtung Osten gezählte Länge, und die Breitenkreise durch eine positiv in Richtung Himmelsnorden N gezählte Breite.According to the method according to the invention, reference circles of longitude and latitude M and P of the position of the aircraft on this celestial vault are defined. The circles of longitude M are defined by the intersections of the spherical vault with the planes that pass through the polar axis of this vault. The circles of latitude P are defined by the intersections of the spherical vault with planes parallel to the equatorial plane E. The circles of longitude M are determined by a positive longitude counted in the east direction and the circles of latitude by a positive latitude counted in the celestial north N direction.
Das Verfahren besteht anschließend darin, ein Referenzbezugssystem mit rechtwinkligen Achsen (G, X, Y, Z) und ein spezifisches Bezugssystem des Luftfahrzeugs (G, XA, YA, ZA) zu definieren.The procedure then consists in defining a reference frame with rectangular axes (G, X, Y, Z) and a specific aircraft frame (G, XA, YA, ZA).
Das Referenzbezugssystem hat den Schwerpunkt G des Luftfahrzeugs A zum Nullpunkt. Eine erste Achse X dieses Referenzbezugssystems durchläuft den Frühlingspunkt γ50, eine zweite Achse Z ist nach dem Himmelsnorden N ausgerichtet und eine dritte Achse Y, die senkrecht ist zur ersten und zweiten Achse X, Z liegt in der Äquatorebene E des Himmelsgewölbes.The reference frame has the centre of gravity G of the aircraft A as the zero point. A first axis X of this Reference system passes through the vernal equinox γ50, a second axis Z is aligned with the celestial north N and a third axis Y, which is perpendicular to the first and second axes X, Z lies in the equatorial plane E of the celestial vault.
Das spezifische Bezugssystem des Luftfahrzeugs hat auch den Schwerpunkt G des Luftfahrzeugs zum Nullpunkt; es umfaßt eine erste Achse XA, ausgerichteten entsprechend einer Längsachse des Luftfahrzeugs, eine zweite Achse ZA, die in einer Symetrieebene des Luftfahrzeugs liegt und eine dritte Achse YA, rechtwinklig zur ersten und zweiten Achse XA, ZA des spezifischen Bezugssystems.The specific reference system of the aircraft also has the centre of gravity G of the aircraft as its origin; it comprises a first axis XA aligned along a longitudinal axis of the aircraft, a second axis ZA lying in a plane of symmetry of the aircraft and a third axis YA perpendicular to the first and second axes XA, ZA of the specific reference system.
Verfahrensgemäß definiert man anschließend die Lage des Luftfahrzeugs, vor allem mit Hilfe von an Bord befindlichen Trägheits-Verarbeitungseinrichtungen, indem man den Rollwinkel ((φ), den Nickwinkel (θ) und den Gierwinkel (ψ) des Luftfahrzeugs A berechnet bezüglich des Referenzbezugssystems (G, X, Y, Z).According to the procedure, the attitude of the aircraft is then defined, in particular with the help of on-board inertial processing equipment, by calculating the roll angle (φ), the pitch angle (θ) and the yaw angle (ψ) of the aircraft A with respect to the reference frame (G, X, Y, Z).
Die Berechnung dieser Winkel ist wohlbekannt innerhalb des Stands der Technik; dennoch, zum besseren Verständnis erlaubt die Figur 2, eine Definition dieser Winkel zu geben.The calculation of these angles is well known within the state of the art; nevertheless, for a better understanding, Figure 2 allows to give a definition of these angles.
Der Gierwinkel ψ ist der Rotationwinkel um die Achse Z des Referenzbezugssystems, der in der Ebene XY die Achse X dieses Bezugssystems zur Deckungsgleichheit bringt mit der Projektion der Achse XA des spezifischen Bezugssystems.The yaw angle ψ is the angle of rotation around the Z axis of the reference frame which, in the XY plane, makes the X axis of this frame coincide with the projection of the XA axis of the specific frame.
Der Nickwinkel θ ist der Rotationswinkel um die Achse Y, der in der Ebene XY des ersten Bezugssystems die Projektion der Achse XA des spezifischen Bezugssystems zur Deckungsgleichheit bringt mit der Achse X.The pitch angle θ is the angle of rotation around the Y axis that, in the XY plane of the first reference system, makes the projection of the XA axis of the specific reference system coincide with the X axis.
Der Rollwinkel φ ist der Rotationswinkel um die Achse XA des spezifischen Bezugssystems, der die Projektion der Achse dieses spezifischen Bezugssystems in der Ebene XY des ersten Bezugssystems zur Deckungsgleichheit bringt mit der Achse Y des Referenzbezugssystems.The roll angle φ is the angle of rotation around the axis XA of the specific reference system which makes the projection of the axis of this specific reference system in the plane XY of the first reference system coincide with the axis Y of the reference reference system.
Das Verfahren besteht anschließend darin, wie Figur 3 zeigt, die Werte dieser kardanischen Winkel zu verwenden, um auf einem Bildschirm 1 der Anzeigeeinrichtungen 2 das erhaltene Bild 3 sichtbar zu machen in einer zur ersten Achse XA des spezifischen Bezugssystems senkrechten Ebene eines Gradnetzes 4, gebildet aus Abschnitten von Längskreisen M und Parallelkreisen P des Himmelsgewölbes C, innerhalb eines Kreises B auf diese senkrechte Ebene projiziert. Dieser Kreis, der als "Navigationskreis" bezeichnet werden kann, ist zentriert auf der ersten Achse XA des spezifischen Bezugssystems.The method then consists, as shown in Figure 3, in using the values of these cardan angles to display on a screen 1 of the display means 2 the image 3 obtained in a plane perpendicular to the first axis XA of the specific reference system of a grid 4 formed by sections of longitudinal circles M and parallel circles P of the celestial vault C, within a circle B on this perpendicular plane. This circle, which can be called the "navigation circle", is centered on the first axis XA of the specific reference system.
Er wird z.B. definiert durch die Durchschneidung der Bildebene mit einem Konus mit einem Spitzenwinkel von z.B. ungefähr 30º, der die Achse XA des spezifischen Bezugssystems zur Achse hat; die Spitze S dieses Konus entspricht dem Ort, wo sich das Auge des Beobachters (des Luftfahrzeugpiloten) befindet.It is defined, for example, by intersecting the image plane with a cone with an apex angle of, for example, approximately 30º, which has the axis XA of the specific reference system as its axis; the apex S of this cone corresponds to the location where the eye of the observer (the aircraft pilot) is located.
Die Figur 4 ermöglicht ein besseres Verständnis der verschiedenen, auf dem Bildschirm 1 der an Bord befindlichen Anzeigeeinrichtungen sichtbar gemachten Angaben.Figure 4 provides a better understanding of the various information displayed on screen 1 of the on-board display devices.
Man erkennt auf diesem Bildschirm zunächst den Navigationskreis B und das Gradnetz aus Längen- und Breitenabschnitten M, P, auf eine zur Achse XA des spezifischen Bezugssystems senkrechte Ebene innerhalb des Kreises B. Es ist klar, daß der Bildschirm nicht notwendigerweise senkrecht ist zur Achse XA des spezifischen Bezugssystems, sondern jede Position einnehmen kann innerhalb des Luftfahrzeugs. Es ist in Wirklichkeit die Bildebene, die senkrecht ist zur Achse XA. Die Anzeigeeinrichtungen ermöglichen die Sichtbarmachung der Bildebene auf dem Bildschirm 1.On this screen, one can first see the navigation circle B and the grid of longitude and latitude segments M, P, on a plane perpendicular to the XA axis of the specific reference system inside the circle B. It is clear that the screen is not necessarily perpendicular to the XA axis of the specific reference system, but can occupy any position inside the aircraft. It is in fact the image plane which is perpendicular to the XA axis. The display devices enable the image plane to be made visible on the screen 1.
In Figur 4 ist man davon ausgegangen, daß das angezeigte Gradnetz ein Ausschnitt des Himmelsgewölbes entsprechend einer Bewegung des Luftfahrzeugs in der Nähe eines der Pole dieses Himmelsgewölbes ist. Unter diesen Bedingungen und auf eine in der Kartographie bekannte Weise wird das Längen- und Breitengradnetz ersetzt durch ein anderes Bezugsgradnetz 5, das ein Gitter aus überkreuzten Segmenten bildet, innerhalb einer durch einen Kreis 6 begrenzten Zone, zentriert auf dem Pol des Himmelsgewölbes. Das Verfahren besteht auch darin, ein Fadenkreuz mit zwei zueinander senkrechten Segmenten 7, 8 anzuzeigen, die den Navigationskreis durchschneiden und sich schneiden im Zentrum 0 dieses Kreises und jeweils den Achsen ZA und YA des spezifischen Bezugssystems entsprechen. Der Punkt 0 entspricht dem Schwerpunkt des Luftfahrzeugs. Das zentrale Kreuz 9 des Fadenkreuzes, das ermöglicht, das Zentrum 0 besser zu markieren, stellt das Luftfahrzeug selbst dar und definiert seinen Gierwinkel ψ und seinen Nickwinkel θ, die jeweils in Länge und Breite festgelegtIn Figure 4, it is assumed that the displayed grid is a section of the celestial vault corresponding to a movement of the aircraft near one of the poles of this celestial vault. Under these conditions and in a manner known in cartography, the grid of longitude and latitude is replaced by another reference grid 5 forming a grid of crossed segments within a zone delimited by a circle 6 centred on the pole of the celestial vault. The method also consists in displaying a crosshair with two mutually perpendicular segments 7, 8 which cut through the navigation circle and intersect at the centre 0 of this circle and correspond respectively to the axes ZA and YA of the specific reference system. Point 0 corresponds to the centre of gravity of the aircraft. The central cross 9 of the crosshairs, which allows the center 0 to be better marked, represents the aircraft itself and defines its yaw angle ψ and its pitch angle θ, which are respectively defined in length and width.
sind, bezogen auf einen Längenkreisabschnitt und einen Breitenkreisabschnitt, nahe dieses Kreuzes in dem auf dem Bildschirm erscheinenden Gradnetz.are, in relation to a meridian segment and a latitude segment, close to this cross in the grid appearing on the screen.
Nach dem Verfahren der Erfindung wird der Rollwinkel φ angezeigt auf einer Zahlenwerteskala 10, nahe dem Schnittpunkt des Navigationskreises B mit dem entsprechenden Segment 7 des Fadenkreuzes. In dem betrachteten Beispiel beträgt der Rollwinkel φ ungefähr 48º.According to the method of the invention, the roll angle φ is displayed on a numerical scale 10, near the intersection of the navigation circle B with the corresponding segment 7 of the crosshairs. In the example considered, the roll angle φ is approximately 48º.
Die soeben beschriebenen, sichtbar gemachten Angaben sind die, welche für die Navigation wesentlich sind. Es werden auch weitere Angaben angezeigt; sie werden später beschrieben.The information just described and made visible are those that are essential for navigation. Other information is also displayed; it will be described later.
Die wesentlichen Angaben und vor allem das Gradnetz werden angezeigt ausgehend von einer direkten Verarbeitung der Werte der kardanischen Winkel. Jedoch besteht eine bevorzugte Durchführung des Verfahrens darin, die kardanischen Winkel in Form von "Quaternionen" auszudrücken, um die graphische Darstellung des Gradnetzes auf dem Bildschirm festzulegen. Die Theorie der Quaternione wird vor allem beschrieben in dem Buch mit dem Titel "Les quaternions" von Paul Fayet de Casteljau - HERMES-Verlag.The essential data and in particular the graticule are displayed by directly processing the values of the gimbal angles. However, a preferred implementation of the procedure is to express the gimbal angles in the form of "quaternions" in order to define the graphical representation of the graticule on the screen. The theory of quaternions is described in particular in the book entitled "Les quaternions" by Paul Fayet de Casteljau - HERMES-Verlag.
Wenn es nämlich möglich ist, das Gradnetz auf dem Bildschirm darzustellen, indem man direkt von den kardanischen Winkeln ausgeht (φ (Rollwinkel), θ (Nickwinkel) und ψ (Gierwinkel)), geliefert durch die an Bord befindlichen Trägheitseinrichtungen (wobei die Achse XA des Flugzeugs in Richtung Himmelsgewölbe weist), verliert diese Darstellung jede Genauigkeit, wenn θ annähernd 90º ist, d.h. in Polnähe. Nahe den Polen verlieren die Werte des Gier- und des Rollwinkels jede Bedeutung. Man zieht es folglich für die 80º übersteigenden Werte von θ vor, das aus Längen- und Breitenkreisen bestehende Gradnetz zu ersetzen durch eine "Gitter"-Darstellung und, ganz gleich welchen Wert θ hat, Quaternione zu verwenden, um das Gradnetz darzustellen. Durch Quaternione variiert die Darstellung der Lage des Luftfahrzeugs auf bekannte Weise, ganz gleich welchen Wert θ hat. Das Quaternion q wird auf folgende Weise definiert: Indeed, if it is possible to represent the graticule on the screen by starting directly from the gimbal angles (φ (roll angle), θ (pitch angle) and ψ (yaw angle)) provided by the on-board inertial devices (the aircraft's XA axis pointing towards the celestial vault), this representation loses all precision when θ is close to 90º, i.e. near the poles. Near the poles, the values of the yaw and roll angles lose all meaning. It is therefore preferable, for values of θ exceeding 80º, to replace the graticule consisting of longitudes and latitudes with a "grid" representation and, whatever the value of θ, to use quaternions to represent the graticule. Using quaternions, the representation of the aircraft's attitude varies in a known way, whatever the value of θ. The quaternion q is defined as follows:
oder auch 1 = or 1 =
ql, q2, q3, q4 variieren auf kontinuierliche Weise, selbst in Polnähe.ql, q2, q3, q4 vary in a continuous manner, even near the poles.
Die Beziehungen zwischen den kardanischen Winkeln und den Quaternionen sind:The relationships between the cardanic angles and the quaternions are:
q1 = cos(ψ/2)cos(θ/2)cos(φ/2) + sin(ψ/2)sin(θ/2)sin(φ/2)q1 = cos(ψ/2)cos(θ/2)cos(φ/2) + sin(ψ/2)sin(θ/2)sin(φ/2)
q2 = cos(ψ/2)cos(θ/2)sin(φ/2) - sin(ψ/2)sin(θ/2)cos(φ/2)q2 = cos(ψ/2)cos(θ/2)sin(φ/2) - sin(ψ/2)sin(θ/2)cos(φ/2)
q3 = cos(ψ/2)sin(θ/2)cos(φ/2) + sin(ψ/2)cos(θ/2)sin(φ/2)q3 = cos(ψ/2)sin(θ/2)cos(φ/2) + sin(ψ/2)cos(θ/2)sin(φ/2)
q4 = sin(ψ/2)cos(θ/2)cos(φ/2) - cos(ψ/2)sin(θ/2)sin(φ/2)q4 = sin(ψ/2)cos(θ/2)cos(φ/2) - cos(ψ/2)sin(θ/2)sin(φ/2)
Die Winkel ψ,θ,φ, die in diesen Beziehungen erscheinen, sind die kardanischen Winkel, die ermöglichen, vom Referenzbezugssystem (G, X, Y, Z) überzugehen auf das spezifische Bezugssystem (G, XA, YA, ZA).The angles ψ,θ,φ appearing in these relationships are the gimbal angles that allow to pass from the reference frame (G, X, Y, Z) to the specific frame (G, XA, YA, ZA).
Die bekannten Bezugswechselbeziehungen schreiben sich: The known reference interrelations are written:
mit: with:
Man kann ein für die Navigation besser geeignetes, dem Luftfahrzeug zugeordnetes spezifisches Zwischenbezugssystem (G, X'A, Y'A, Z'A) definieren, indem man das spezifische Bezugssystem um 180º um seine Achse XA dreht. Ausgehend von diesem spezifischen Zwischenbezugssystem (G, X'A, Y'A, Z'A) kann man ein Anzeige- Referenzbezugssystem oder Bild-Referenzbezugssystem definieren.A specific intermediate reference system (G, X'A, Y'A, Z'A) associated with the aircraft, more suitable for navigation, can be defined by rotating the specific reference system by 180º about its axis XA. From this specific intermediate reference system (G, X'A, Y'A, Z'A), a display reference system or image reference system can be defined.
Man kann schreiben: You can write:
Indem man diese letztere Beziehung kombiniert mit dem Ausdruck der Übergangsmatix A, ausgedrückt in Quaternionform, erhält man: Combining this latter relation with the expression of the transition matrix A expressed in quaternion form, we obtain:
Das letzte zu definierende Bezugssystem ist das Anzeige-Referenzbezugssystem. Dieses Bezugssystem hat den Mittelpunkt des Anzeigebildschirms zum Nullpunkt.The last reference system to be defined is the display reference reference system. This reference system has the center of the display screen as the zero point.
Bezogen auf das spezifische Zwischenbezugssystem (G, X'A, Y'A, Z'A) kann das Anzeige-Referenzbezugssystem (0, x, y, z) auf folgende Weise definiert werden:Relative to the specific intermediate reference system (G, X'A, Y'A, Z'A), the display reference reference system (0, x, y, z) can be defined as follows:
Sein Nullpunkt 0 befindet sich im Navigationplatz des Luftfahrzeugs. Man geht davon aus, daß der Punkt 0 sich auf Distanz 1 vom Zentrum des Himmelgewölbes befindet und daß seine Koordinaten bezüglich des spezifischen Zwischenbezugssystems (1,0,0) sind.Its origin 0 is located in the aircraft's navigation position. It is assumed that point 0 is at a distance 1 from the center of the celestial vault and that its coordinates with respect to the specific intermediate reference system are (1,0,0).
Seine Achse x fällt zusammen mit der Achse YA des spezifischen Bezugssystems des Luftfahrzeugs.Its axis x coincides with the axis YA of the specific reference system of the aircraft.
Seine Achse y fällt zusammen mit der Achse ZA.Its y axis coincides with the ZA axis.
Seine Achse z fällt zusammen mit der Achse XA.Its axis z coincides with the axis XA.
Die Gleichungssysteme, die erlauben, von den Koordinaten eines Punktes des Referenzbezugssystems (G, X, Y, Z) überzugehen auf die Koordinaten dieses Punktes in dem Anzeige- Referenzbezugssystem (o, x, y, z), sind dann die folgenden: The systems of equations that allow to pass from the coordinates of a point in the reference system (G, X, Y, Z) to the coordinates of this point in the display reference system (o, x, y, z) are then the following:
Es ist folglich das Gleichungssystem (E3), das verwendet wird zur Anzeige des Gradnetzes auf dem Anzeigebildschirm, somit den für die Navigation geeigneten Konventionen entsprechend orientiert.It is therefore the system of equations (E3) that is used to display the graticule on the display screen, thus oriented according to the conventions suitable for navigation.
Die Darstellung des "Gitter"-Gradnetzes in der Nähe der Polkappen (über θ = 80º) erhält man auf dieselbe Weise wie das Gradnetz, dargestellt außerhalb dieser Polkappen, aber indem man eine Veränderung des Referenzbezugssystems wählt, bei der die neue Achse X durch den Pol läuft.The representation of the "grid" graticule near the polar caps (above θ = 80º) is obtained in the same way as the graticule represented outside these polar caps, but by choosing a change of reference frame in which the new axis X passes through the pole.
Das Verfahren ermöglicht auch, in dem auf dem Bildschirm sichtbar gemachten Gradnetz den Standort auf dem Himmelgewölbe anzuzeigen, festgelegt durch einen Längen- und einen Breitenkreis, durch ein Symbol V1, in das ein Vektor V eingetragen wird, der die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs darstellt. Dieses Symbol V ist in dem Gradnetz in Länge und Breite festgelegt. Es ermöglicht, dem Piloten die Bewegungsrichtung des Luftfahrzeugs anzugeben, die sich im allgemeinen unterscheidet von der Richtung der Längsachse XA dieses Luftfahrzeugs. Diese Richtung wird berechnet aus den Werten des Trägheits-Schräglagewinkels,- Anstellwinkels und -Schiebewinkels.The method also allows the location on the celestial vault to be displayed in the grid displayed on the screen, determined by a longitude and a Parallel of latitude, by a symbol V1 in which a vector V is entered, representing the speed of the aircraft. This symbol V is defined in the grid in longitude and latitude. It allows the pilot to indicate the direction of movement of the aircraft, which is generally different from the direction of the longitudinal axis XA of this aircraft. This direction is calculated from the values of the inertial bank angle, angle of attack and sideslip.
Erfindungsgemäß macht man auf dem Bildschirm auch die Position eines anderen Objekts im Raum sichtbar. Diese Position wird angezeigt durch ein Symbol 11, festgelegt in dem Gradnetz durch eine Breite und ein Höhe, beziehungsweise bezogen auf einen Breitenkreisabschnitt und einen Längenkreisabschnitt, dem Symbol 11 in dem Gradnetz am nächsten liegend. Dieses andere Objekt kann z.B. eine Orbitalstation sein, an der das Luftfahrzeug andocken soll. Auch die Position dieser Station wird erhalten durch eine Quatrionenrechnung.According to the invention, the position of another object in space is also made visible on the screen. This position is displayed by a symbol 11, defined in the grid by a latitude and a height, or in relation to a section of the circle of latitude and a section of the circle of longitude closest to the symbol 11 in the grid. This other object can be, for example, an orbital station at which the aircraft is to dock. The position of this station is also obtained by a quatrion calculation.
Eine weitere wichtige Angabe ist die, die die Lagevoraussage des Luftfahrzeugs betrifft. Es ist z.B. die für das Luftfahrzeug für die nächsten 10 Sekunden vorgesehene Lage. Diese Angabe wird geliefert durch einen Vektor 12, mit "Lagevoraussagevektor" bezeichnet. Diese Voraussage wird berechnet durch einen an Bord befindlichen Computer, vor allem aus den Werten der Veränderungsgeschwindigkeiten der kardanischen Winkel. Dieser Vektor gibt die zukünftige Ausrichtung der Längsachse XA des Luftfahrzeugs an.Another important piece of information is that concerning the aircraft's attitude forecast. For example, it is the aircraft's expected attitude for the next 10 seconds. This information is provided by a vector 12, called the "attitude forecast vector". This forecast is calculated by an on-board computer, mainly from the values of the rate of change of the gimbal angles. This vector indicates the future orientation of the aircraft's longitudinal axis XA.
Um den Piloten besser zu führen bei der Bewegungssteuerung des Luftfahrzeugs ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, eine Referenzlage zu wählen. Der Pilot, indem er auf die Flugbefehle einwirkt, muß handeln, um das Luftfahrzeug entsprechend dieser Referenzlage auszurichten. Die gewählte Referenzlage wird angezeigt durch ein Lagesymbol 13, im Gradnetz festgelegt durch eine Länge und eine Breite, beziehungsweise durch einen Längenkreisabschnitt und einen Breitenkreisabschnitt des Gradnetzes.In order to better guide the pilot in controlling the movement of the aircraft, it is also possible to select a reference position using the method according to the invention. The pilot, by acting on the flight commands, must act to align the aircraft according to this reference position. The selected reference position is indicated by a position symbol 13, defined in the graticule by a longitude and a latitude, or by a meridian segment and a latitude segment of the graticule.
Um die Längenfestlegungen zu erleichtern, besteht das Verfahren darin, auf besondere Weise einen Längenkreis- Anfangsabschnitt anzuzeigen. Diese Anzeige des Längenkreisanfangs wird in der Figur dargestellt durch die Segmente 14A, 14B.In order to facilitate the determination of longitude, the procedure consists in creating a meridian in a special way. This indication of the beginning of the meridian is shown in the figure by the segments 14A, 14B.
In dieser Figur hat man auch einen Längenkreisabschnitt 16 dargestellt, angezeigt im Innern des Kreises 6, der die Zone der Anzeige der Polarkappe begrenzt.In this figure, a segment of the meridian 16 has also been shown, indicated inside the circle 6, which delimits the zone of indication of the polar cap.
Zwei Rollwinkel-Referenzsymbole 17, 18 werden ebenfalls angezeigt auf dem Navigationskreis B. Diese Symbole sind auf dem Kreis diametral entgegengesetzt. Sie erleichtern die unmittelbare approximative Wahrnehmung des Rollwinkels. Die genaue Kenntnis des Rollwinkels wird vervollständigt durch die Zahlenwerte 10, die weiter oben beschrieben wurden und den Wert dieses Winkels mit größerer Genauigkeit angeben. Es ist auch möglich, ein Zwischensymbol 15 eines gewählten Rollwinkels anzuzeigen. Es ist für den Piloten nämlich nützlich, einen Bezugsrollwinkelwert zu wählen, um einzuwirken auf die Flugbefehle des Luftfahrzeugs, so daß dieses eine Lage einhält, die diesen Rollwinkel berücksichtigt.Two roll angle reference symbols 17, 18 are also displayed on the navigation circle B. These symbols are diametrically opposed on the circle. They facilitate the immediate approximate perception of the roll angle. The precise knowledge of the roll angle is supplemented by the numerical values 10 described above, which indicate the value of this angle with greater precision. It is also possible to display an intermediate symbol 15 of a selected roll angle. It is useful for the pilot to select a reference roll angle value in order to influence the aircraft's flight commands so that it maintains an attitude which takes this roll angle into account.
Das Verfahren besteht auch darin, in Cursors, beweglich gegenüber festen Skalen, jeweils Werte der Roll-, Nick- und Gier- Änderungsgeschwindigkeiten (p, q, r) anzuzeigen.The procedure also consists in displaying values of the roll, pitch and yaw rates of change (p, q, r) in cursors that are movable relative to fixed scales.
So wird die Roll-Änderungsgeschwindigkeit p angezeigt durch einen Zahlenwert in einem Cursor 19, beweglich gegenüber der festen Skala 20. Im dargestellten Beispiel ist dieser Wert gleich -0,47º/S. Die Position des Cursors zeigt die Roll-Tendenz an, nach rechts oder nach links. Im Beispiel ist es eine Tendenz nach links.Thus, the roll rate of change p is indicated by a numerical value in a cursor 19, movable relative to the fixed scale 20. In the example shown, this value is equal to -0.47º/s. The position of the cursor indicates the roll tendency, to the right or to the left. In the example, it is a tendency to the left.
Die Nick-Änderungsgeschwindigkeit q wird angezeigt durch einen Zahlenwert in dem Cursor 21, beweglich gegenüber der festen Skala 22. Im dargestellten Beispiel ist der Wert gleich +1,58º/S. Die Position des Cursors zeigt die Nick-Tendenz nach oben oder nach unten an. Im dargestellten Beispiel ist es eine Tendenz nach oben.The pitch change rate q is indicated by a numerical value in the cursor 21, movable relative to the fixed scale 22. In the example shown, the value is equal to +1.58º/s. The position of the cursor indicates the pitch tendency upwards or downwards. In the example shown, it is an upwards tendency.
Schließlich wird die Gier-Änderungsgeschwindigkeit angezeigt durch einen Zahlenwert in dem Cursor 23, beweglich gegenüber der festen Skala 24. Im dargestellten Beispiel ist dieser Wert gleich +0,72º/S. Die Position des Cursors zeigt die Gier-Tendenz, hier nach rechts.Finally, the yaw rate of change is indicated by a numerical value in the cursor 23, movable relative to the fixed scale 24. In the example shown, this value is equal to +0.72º/s. The position of the cursor indicates the yaw tendency, here to the right.
Die Zahlenwerte der Gier-, Nick- und Rollwinkel werden jeweils angezeigt in einer Zone 25, den Angaben YAW, PITCH, ROLL gegenüber. Im betrachteten Beispiel sind diese Zahlenwerte jeweils gleich (12,1º), (75v) und (32,7º).The numerical values of the yaw, pitch and roll angles are each displayed in a zone 25, opposite the YAW, PITCH, ROLL information. In the example considered, these numerical values are equal to (12.1º), (75v) and (32.7º).
Es ist auch möglich, in einer Zone 26 jeweils Sollzahlenwerte für die Gier-, Nick- und Rollwinkel anzuzeigen.It is also possible to display target values for the yaw, pitch and roll angles in a zone 26.
Schließlich können in einer Zone 27 z.B Navigationshilfe-Informationen angezeigt werden.Finally, in a zone 27, for example, navigation assistance information can be displayed.
Spezifische Farbcodes werden den verschiedenen angezeigten Angaben zugeordnet. Diese Farbcodes sind z.B. folgende:Specific color codes are assigned to the various information displayed. These color codes are, for example, the following:
- der Bildschirmhintergrund ist schwarz,- the screen background is black,
- der Navigationkreis B, das Längen- und Breitenkreisgradnetz, das Gitter und der Kreis 6, die Linien 14A, 14B, 16, die Skalen 20, 22, 24, die Angaben YAW, PITCH, ROLL, die Symbole 17, 18 und die Roll-Werte 10 sind weiß,- the navigation circle B, the longitude and latitude grid, the grid and the circle 6, the lines 14A, 14B, 16, the scales 20, 22, 24, the YAW, PITCH, ROLL indications, the symbols 17, 18 and the roll values 10 are white,
- die beweglichen Cursors 19, 21, 23 und das Fadenkreuz 7, 8, 9 sind gelb; die in den Cursors enthaltenen Zahlenwerte sind grün,- the movable cursors 19, 21, 23 and the crosshairs 7, 8, 9 are yellow; the numerical values contained in the cursors are green,
- der Lagevoraussage-Vektor 12, das Geschwindigkeitssymbol V1, die Zahlenwerte der Zone 25 und die Informationen der Zone 27 sind grün,- the position prediction vector 12, the speed symbol V1, the numerical values of zone 25 and the information of zone 27 are green,
- die Sollpositionssymbole 13 und 11 für die Lage des Luftfahrzeugs und die Lage der Station, das Rollwinkelsollwertsymbol 15 und die Zahlenwerte der Zone 26 sind blau.- the target position symbols 13 and 11 for the attitude of the aircraft and the attitude of the station, the roll angle target symbol 15 and the numerical values of zone 26 are blue.
Die Figur 5 stellt schematisch ein an Bord befindliches System dar, das ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden. Dieses System umfaßt eine Trägheitszentrale 28, die Signale liefert, die repräsentativ sind für kardanischen Winkel. Diese Trägheitszentrale ist verbunden mit einer Rechen- und Verarbeitungseinheit 29, die vor allem die Quaternione berechnet und an ihren Ausgängen Informationen bezüglich der anzuzeigenden Angaben liefert; diese Informationen werden empfangen von einem Graphikgenerator 30, der die Anzeigeeinrichtungen 2 steuert, um die weiter oben beschriebenen Angaben sichtbar zu machen, vor allem unter Berücksichtigung der gewählten Farbcodes.Figure 5 schematically represents an on-board system that enables the method according to the invention to be applied. This system comprises an inertial control unit 28 that supplies signals representative of gimbal angles. This inertial control unit is connected to a calculation and processing unit 29 that calculates the quaternions and supplies information on the data to be displayed at its outputs; this information is received by a graphics generator 30 that controls the display devices 2 in order to display the data described above, in particular taking into account the color codes chosen.
Bei dem Verfahren, das soeben beschrieben wurde, könnte die Anzeige der Lage durchgeführt werden in einem beliebigen, von dem Referenzbezugssystem abgeleiteten Bezugsystem.In the procedure just described, the position display could be carried out in any reference system derived from the reference reference system.
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